砂尘环境对典型军用金属材料的磨损性能影响规律研究

2023-01-25李迪凡罗丹王晓辉杨昊雨杨万均陈源

环境技术 2022年6期

李迪凡，罗丹，王晓辉，杨昊雨，杨万均，陈源

（西南技术工程研究所，重庆 400050）

引言

摩擦磨损是机械设备的主要失效形式之一，影响国民经济，据统计，各种摩擦形式造成了世界上约1/3的能源消耗，2007年中国工程院发布的摩擦学调查报告显示，2006年全国因摩擦磨损造成的损失高达9 500亿，占当年GDP的4.5 %。而磨粒磨损在磨损中占有重要的地位所造成的损失尤为显著。我国沙漠总面积超过130万平方公里，占国土面积的13.6 %，主要分布在西北和华北地区，以西北居多，包括沙质荒漠、戈壁、沙地等多种类型。这些地区不仅蕴藏有丰富的油气资源，更是中国通往中亚、西亚的必经之地，具有重要的战略地位。直升机、地面装备等装备在长期服役过程中，其转动及传动装置、轴承等武器装备关键构件还需要承受沙尘及自身的摩擦磨损作用，随着装备服役时间的延长，砂尘对装备的损伤作用提升到了一个显著水平。沙尘与摩擦磨损综合加速作用会导致部件出现破坏、断裂、磨损、卡滞等失效行为，使装备整体战技性能下降，严重影响了装备在沙漠地区服役的安全性和可靠性[1]。目前，开展较多的是普通材料的摩擦磨损研究，对军用材料研究不多，李春霞等利用自研的试验装置和和方法，对5类金属材料进行了沙尘摩擦磨损试验，考察了几种材料的抗磨损行为[2]。本文以3种军用材料为研究对象，利用MLGS-225C型磨粒磨损试验机开展摩擦磨损试验，研究其摩擦磨损性能，为装备选材、验证与评价提供技术支持。

1 试验设备与条件

1.1 试验设备与试验方法

本试验采用磨粒磨损试验机，其结构示意图如图1所示，试验时将试验样品与摩擦轮共线相切安装，利用杠杆加载系统设置既定载荷施加到被测试样上，通过伺服电机设置既定转速控制摩擦轮转动速度，砂尘利用负压原理将沙斗中的砂通过流量阀流到对摩摩擦副的摩擦面上，砂尘类型及粒径根据试验要求进行选定。

图1 磨粒磨损试验装置结构示意图

1.2 试验材料及试验样品

试验时所选用的沙尘为敦煌地区沙漠砂，砂尘形貌的SEM如图2所示，与装备在敦煌地区服役所遭受的沙尘成分基本一致，所选用的砂样经过烘干和过筛等过程。

图2 60目砂尘的 SEM照片

试验样品选用轻武器装备常用材料7A04铝合金、TC6钛合金、30CrNi3MoV钢作为研究对象，他们的元素组成和硬度等见表1，尺寸为φ30 mm×10 mm，试验样品在试验前按照产品要求进行相应的热处理。

表1 3种材料的组成与性能

1.3 试验条件和试验过程

试验前，用酒精或丙酮等试剂对试样进行清洗，去除污渍和锈点，并将表面吹干。

试验时，将清洗好的试验样品与摩擦轮共线安装后，在摩擦磨损试验机上进行试验．被测试样固定不动，摩擦轮在400 r/min情况下，针对每组试验样品，依次开展21 N、45 N和100 N 3种载荷条件，无沙、60目，100目3种沙尘粒径条件下的摩擦磨损试验。试验采用无润滑干摩擦形式，每组试验持续5 min。实验结束后，立即用丙酮对试样进行清洗，待干燥后用精度为万分之一电子分析天平进行称重．用Quattro-S场发射环境扫描电镜对试验样品的摩擦表面进行了相貌检测。

磨损量是用来表征材料耐磨性的一项重要参数，其测试方法如下式（1）。

式中：

m—试样质量磨损量（g）；

m0—试样磨损前的质量（g）；

m1—试样磨损后的质量（g）。

根据试验要求，每次试验选用三组平行试验样品，提高试验结果的准确性和重现性。

2 试验结果与分析

2.1 砂尘对试验样品材料磨损性能的影响

利用加工好的3种金属材料样品，分别载荷为21 N、45 N和100 N；沙尘粒径为无沙、60目和100目条件下进行摩擦磨损对比试验，图3为磨损量与载荷和粒径的变化规律图[3-6]。

从图2可以看出，3种试验载荷在无沙即干摩擦条件下试验时，试验材料的磨损量都很小，相比较而言，铝合金的磨损量最大，钛合金次之，钢最少；相同条件时，3种材料的磨损量随试验载荷的增大而增加；沙尘粒径对材料摩擦性能的影响较为明显，在干摩擦试验时的磨损量最少，60目次之，100目最大，与试验预期的结果基本符合；对于7A04铝合金和TC6钛合金两种材料，两种材料的密度相近，铝合金的硬度较低，在加载条件时，沙尘可嵌入试验样品表面，加速样品磨损。对于30CrNi3MoV钢，由于密度和硬度较大，在试验过程中，沙尘被被压成小颗粒，减少了试验表面的摩擦，从而使材料的磨损量减低。

2.2 磨损表面SEM分析

本文以载荷为21 N时，无沙、60目和100目3种砂尘粒径条件下试样摩擦表面相貌为例进行了分析，试样的相貌如图4～6所示。

图4 7A04铝合金试样在3种环境下的磨损形貌

图4（a）为7A04铝合金试样的摩擦表面有较多的摩擦凹坑，凹坑中磨屑可见，主要是由于摩擦副表面的硬质微凸体犁削作用，导致被测试样的摩擦面发生二体磨粒磨损形成摩擦凹坑。图4（b）由于铝合金样品的硬度较低，粒径较小的沙尘颗粒由于受到外加载荷作用被碾碎后嵌入到样品表面，砂尘在一定程度上起到产生了增强效果，使试样表面看起来更加平滑，其磨损机制也发生相应的改变，由干摩擦开始时的粘着磨损转变为磨粒磨损。图4（c）则是由于砂尘颗粒粒径相对较大，外加载荷无法将其嵌入试样表面，其磨损机理主要为磨粒磨损。

图5为TC6钛合金摩擦试验后的磨损形貌，图5（a）可以看出，在干摩擦试验条件下，由于钛合金具有硬度较低，耐磨性较差等性能，试样极易发生的塑性变形，试验过程中产生的磨屑协同砂尘在外加载荷的多次作用下，在试样摩擦表面形成浅而宽的犁沟。图5（b）的摩擦形貌与图4（b）有明显的相同之处，其原因主要是由于粒径较小的砂尘被碾碎后在试样摩擦表面产生了增强作用；图5（c）的摩擦表面磨损较为严重，存有许多磨痕较深的犁沟，主要由于外加载荷作用，沙粒被压入钛合金试样摩擦表面一定深度，试验时在钛合金表面造成犁削损伤，从而出现具有一定深度的犁沟痕迹，其磨损机制表现为以磨粒磨损为主，并伴随有少量的黏着磨损。

图5 TC6钛合金试样在3种环境下的磨损形貌

与7A04铝合金和TC6钛合金相比，图6的摩擦面相对平滑。图6（a）试样磨损程度较轻，摩擦表面相对平整，仅出现少量的摩擦凹坑，其主要原因是30CrNi3MoV钢试样硬度较高，试验过程中产生的少量硬度较高磨屑在载荷作用下在试样摩擦面上形成了凹坑，造成磨粒磨损。从图6（b）可以看出砂尘明显加速了试样摩擦面的的磨损，对试样摩擦表面相貌可知，其磨损机制为典型的磨粒磨损。图6（c）中试样表面存在有小量平行于滑动方向的浅犁沟和及少量的摩擦凹坑，其主要原因是砂尘粒径较大外形尖锐，外加的载荷无法将其碾碎，加速了试样摩擦面磨损，但由于样品的硬度较高，便表面形成了浅犁沟，其磨损机制同样为磨粒磨损。